瘤胃菌CPB6以乳酸为底物合成己酸的分子机制
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:31770090
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:C0104.微生物遗传与生物合成
- 结题年份:2021
- 批准年份:2017
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2018-01-01 至2021-12-31
- 项目参与者:朱晓宇; 芮俊鹏; 李玲娟; 王焓; 鲁少文; 张艳艳;
- 关键词:
项目摘要
The n-caproic acid (CA), as a medium-chain fatty acid with 6 carbons, is a valuable chemical feedstock for various industrial applications including food, liquor-brewing, and bioenergy. Currently, CA biosynthesis is mainly achieved by Clostridium kluyveri via the chain elongation with ethanol as the electron donor. In our previous study, we found a new efficient process for CA formation using lactate as substrate. We have isolated a pure culture, Ruminococcaceae bacterium strain CPB6, that can produce CA from lactate efficiently. Moreover, we have recently finished the whole-genome sequencing of strain CPB6 using the PacBio platform. In this project, we will target the Ruminococcaceae bacterium CPB6, and firstly investigate the transcriptome of the strain by RNA - Seq method, and analyze the expression of mRNA in the presence or absence of lactic acid. Then, we will identify differentially expressed genes, especially genes involved in the pathway of caproate production from lactate. Subsequently, we will analyze the regulation mechanism and function of these genes by the CRISPR - Cas9 technique for gene knockout, strengthening or interference, to clarify key functional genes involved in the pathways of caproate production from lactate. The research will reveal the metabolic pathway and regulation mechanism of the caproate synthesis from lactate in strain CPB6. The research will contribute to our understanding of molecular mechanism of middle- chain fatty acid biosynthesis. Meanwhile, the discovery of new genes responsible for chain elongation pathway will provide theoretical basis for the industrialization of the caproate production.
己酸是一种含6个碳原子的中链脂肪酸,可作为香料或化工原料,广泛应用于食品、酿酒及生物能源等领域。目前,己酸的生物合成主要是通过以乙醇为电子供体的碳链延长途径实现。申请人在前期研究中,首次报道了利用乳酸合成己酸的新途径,并分离到一株新型瘤胃细菌CPB6能够以乳酸为电子供体高效合成己酸,且已完成其全基因组测序。本项目拟以该菌株为研究对象,首先采用RNA-Seq方法,分析其在有/无乳酸存在时表达的mRNA, 筛选出差异表达基因,重点挖掘与乳酸转化-己酸合成相关的功能基因及代谢通路;然后采用CRISPR-Cas9技术对目标基因进行敲除、强化表达或干扰,以对其功能与调控机制进行分析,明确参与己酸合成的关键基因及其功能。该研究将从分子水平上揭示以乳酸为电子供体合成己酸的代谢途径和调控机制,对于认知中链脂肪酸的生物合成机理具有重要意义;同时,新的碳链延长基因和途径的发掘将为己酸的工业化生产提供理论依据。
结项摘要
己酸是一种含6个碳的中链脂肪酸,广泛应用于食品、香料和饲料添加剂等领域。目前己酸主要来源于植物提取或石油基产品。前者受地域和季节影响难以规模化发展,后者由于污染和食品安全等因素,也受到很大的限制。己酸生物合成就是通过微生物以廉价碳源或废弃生物质为底物生产己酸的方法,是一种绿色、可持续且有发展潜力的技术路线。. 近年来的研究表明微生物可利用乳酸合成己酸,但其详细的机制尚不清楚。本研究以一株能够高效地利用乳酸合成己酸的瘤胃菌CPB6为研究对象,重点研究乳酸添加对CPB6生长、代谢及基因转录与表达的影响。研究表明,乳酸添加对细胞的生长并无显著促进作用,但可促进己酸提前产生,提高己酸产量和生产速率。其机制可能是乳酸通过改变关键代谢通路基因的表达模式来促进己酸的产生,其中,5个参与反向β-氧化途径的酶,11个基因编码ABC转运蛋白,6个编码底物结合蛋白(SBP)和4个编码磷酸转移酶系统(PTS)转运蛋白与乳酸转化、己酸合成具有显著相关性。综合基因组与转录组数据,我们推导了CPB6利用乳酸合成己酸的代谢通路和关键基因,并对该通路中的两个关键基因:乳酸脱氢酶(LDH)和辅酶A转移酶(CoAT)进行了深入研究。结果显示,CPB6的LDH的氧化活性显著高于还原活性,其功能主要是将乳酸转化为丙酮酸并提供还原能,推动丙酮酸被转化为乙酰辅酶A;而其CoAT对己酰辅酶A的活性显著高于丁酰辅酶A,说明其主要功能是催化己酰辅酶A转化为己酸,是合成己酸的关键酶。这两个酶与其他菌株的LDH和CoAT在氨基酸序列、三维结构和活性中心上也有明显的差异,这是导致它们功能差异的主要原因。上述研究促进了对微生物利用乳酸合成己酸的分子机制的理解。. 此外,我们还研究不同电子供体和受体之间的交互作用及其对己酸产量的影响,建立了底物利用-产物合成的回归线性模型,并优化了CPB6产己酸的培养基;通过乳酸菌与瘤胃菌CPB6的共培养建立了二元共发酵体系,使葡萄糖转化己酸的效率提高了2.2倍。该体系有望应用于其他廉价碳源合成己酸的工业化。...
项目成果
期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Improvement of n-caproic acid production with Ruminococcaceae bacterium CPB6: selection of electron acceptors and carbon sources and optimization of the culture medium.
瘤胃球菌科细菌CPB6提高正己酸产量:电子受体和碳源的选择以及培养基的优化
- DOI:10.1186/s12934-018-0946-3
- 发表时间:2018-06-25
- 期刊:Microbial cell factories
- 影响因子:6.4
- 作者:Wang H;Li X;Wang Y;Tao Y;Lu S;Zhu X;Li D
- 通讯作者:Li D
Butyryl/Caproyl-CoA:Acetate CoA-transferase: cloning, expression and characterization of the key enzyme involved in medium-chain fatty acid biosynthesis.
丁酰/己酰辅酶 A:乙酸辅酶 A 转移酶:中链脂肪酸生物合成关键酶的克隆、表达和表征
- DOI:10.1042/bsr20211135
- 发表时间:2021-08-27
- 期刊:Bioscience reports
- 影响因子:4
- 作者:Yang Q;Guo S;Lu Q;Tao Y;Zheng D;Zhou Q;Liu J
- 通讯作者:Liu J
Cloning and characterization of a l-lactate dehydrogenase gene from Ruminococcaceae bacterium CPB6
瘤胃球菌科细菌 CPB6 的 L-乳酸脱氢酶基因的克隆和表征
- DOI:10.1007/s11274-020-02958-4
- 发表时间:2020-11
- 期刊:World Journal of Microbiology and Biotechnology
- 影响因子:4.1
- 作者:Yang Qingzhuoma;Wei Cuicui;Guo Shengtao;Liu Jun;Tao Yong
- 通讯作者:Tao Yong
瘤胃菌与乳酸菌共培养利用葡萄糖合成己酸
- DOI:10.19675/j.cnki.1006-687x.2020.07002
- 发表时间:2021
- 期刊:应用与环境生物学报
- 影响因子:--
- 作者:魏翠翠;央青卓玛;陶勇;顾文智;郑德聪;何晓红
- 通讯作者:何晓红
Genome-Wide Transcriptomic Analysis of n-Caproic Acid Production in Ruminococcaceae Bacterium CPB6 with Lactate Supplementation.
补充乳酸的瘤胃球菌 CPB6 中正己酸生产的全基因组转录组分析
- DOI:10.4014/jmb.2107.07009
- 发表时间:2021-11-28
- 期刊:Journal of microbiology and biotechnology
- 影响因子:2.8
- 作者:Lu S;Jin H;Wang Y;Tao Y
- 通讯作者:Tao Y
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